المحركات الكهربية Electric Motor

المحركات الكهربية Electric Motor

Electric Motor

تعد المحركات الكهربية أهم المشغلات الميكانيكية في النظم الكهروميكانيكية . يمكن تصنيف المحركات إما من ناحية وظيفتها أو من ناحية خواصها الكهربية . من الناحية الوظيفية , أخذت هذه المحركات أسماء تشير للطريقة التي تستخدم بها هذه المحركات . من أمثلة التصنيف الوظيفي للمحركات الكهربية troque العزم , gear , servo , Instrument servo و stepping الخطوة ومع ذلك فإنه في العادة يكون من الضروري معرفة بعض الشئ عن التصميم الكهربي للمحرك للتمكن من الحكم في شأن تطبيقات المحرك بخصوص القدرة المسحوبة ووضع التحكم . يقدم الشكل تصنيف توصيف المحركات الكهربية الموجودة في تطبيقات الميكانيكا . هناك تنوع كبير بين المحركات من حيث الإختلافات في نظام لف المحركات وتصميمات العضو الدائر rotor , يقدم هذا التنوع تنوعاً كبيراً في خواص التشغيل . باستمرار يتم تحسين نسبة الثمن إلي الأداء للمحركات الكهربية لتضيف أهمية إلي أهمية المحركات في نظم الميكاترونيك بدءاً من الأجهزة إلي مجال صناعة السيارات .

Mechanical actuators 4_03

Figure Configuration classification of electric motors .

يوضح الشكل تكوين وعناصر مكونات المحرك الكهربي النموذجي . الغلاف الخارجي للمحرك هو الجزء الثابت ويطلق عليه stator ( العضو الثابت ) , يدعم هذا الجزء للمحرك بأقطاب مغناطيسية قطرية , تحتوي هذه الأقطاب إما علي مغناطيسيات دائمة permanent magnets أو ملفات من السلك يطلق عليها ملفات المجال field coils , تلف هذه الملفات حول قلب من رقائق الحديد . مهمة أقطاب العضو الثابت هي توفير مجالات مغناطيسية قطرية . يقوي القلب الحديدي شدة أقطاب المجال المغناطيسي داخل الملف نتيجة نفاذية القلب . وكما سبق وأن أشرنا , أن الغرض من أن يكون القلب من شرائح من الحديد .

Mechanical actuators 5_03

المعزولة عن بعضها البعض هو لتقليل تأثيرات التيارات الإعصارية eddy currents التي تستنتج في المواد المصولة كهربياً . العضو الدائر rotor هي الجزء الدوار في المحرك , وهو يحتوي علي محور الدوران الذي يستند علي كراسي المحور bearings وكذلك يشتمل علي الملفات الموصلة التي عادة يشار إليها بالاسم ملفات المنتج armature windings والقلب الحديدي الذي يقوي شدة المجال المغناطيسي المتولد بواسطة الملفات . توجد ثغرة هوائية صغيرة جداً بين العضو الدائر rotor والعضو الثابت stator يقطعها المجال المغناطيسي . في معظم محركات التيار المستمر DC motors , يحتوي العضو الدائر علي جزء إضافي يطلق عليه عضو التوحيد commutator الذي مهمته تجميع التيار وتوحيد اتجاهه وعن طريق فرشتين كربونيتين ملامستين لسطح عضو التوحيد ينتم دخول التيار إلي ملفات المنتج عن طريق الفرشة الموجبة وخروجه من خلال الفرشة السالبة negative brush . عضو التوحيد عبارة عن قطاعات من النحاس الأحمر المعزولة عن بعضها بواسطة مادة الميكا يتم تجميعها بحيث تشكل شكل اسطواني وتركب علي محور الدوران وبحيث تكون معزولة عنه كهربياً وبالتالي فهي تدور بدوران المنتج ولكن مع ثبات وضع الفرشتين الملامستين لقطاعات segments عضو التوحيد .

تلحم أطراف ملفات المنتج بقطاعات عضو التوحيد ليتجمع التيار عند الفرشتين . يتم الضغط علي الفرش بواسطة يايات للتأكد من أحكام التلامس الجيد مع قطاعات عضو التوحيد . يبين الشكل أمثلة لأجزاء محركات متاحة تجارياً في الجزء العلوي من الشكل , المحرك الأيسر هو محرك تيار متغير تأثيري AC induction motor مزود برأس تروس سرعة gearhead speed لتقليل السرعة عند حمل المحرك . أما المحرك الذي علي يمين الشكل فهو محرك خطوة ذو وجهين . علي المحركات قائمة بيانات وخواص المحركات . الجزء السفلي من الشكل عبارة عن المكونات الداخلية لمحرك الخطوة ذو العضو الدائري ذو المغناطيس الدائم .

ينتج عزم دوران المحرك الكهربي من خلال تفاعل أما مجالات العضو الثابت مع تيارات المنتج أو مجالات العضو الثابت مع مجالات المنتج . سنقوم بتوضيح الفكرتين ولكننا سنبدأ بالأولي . يبين الشكل محرك تيار مستمر ذو ستة ملفات في المنتج . اتجاه التيار في هذه الملفات كما هو موضح بالشكل . كنتيجة للمعادلة (9.1) , فإن تفاعل مجالات العضو الثابت الثابتة مع التيارات بملفات المنتج ينشأ عنه عزم دوران torque في اتجاه ضد عقرب الساعة . يمكنك التحقق من اتجاه هذا العزم بتطبيق قاعدة فلمنج لليد اليمني علي تيار المنتج و إتجاهات مجال العضو الثابت stator . ليبقي العزم مع دوران العضو الدائر فإن ترتيب تيارات المنتج بالنسبة لمجال العضو الثابت يجب أن تظل ثابتة . يعمل عضو التوحيد علي حدوث ذلك عن طريق تحويل switching تيارات المنتج في التعاقب الصحيح بدوران المنتج .

يبين الشكل مثال لعضو توحيد , يتكون من حلقة مقسمة إلي أجزاء بين كل جزء والأخر مادة عازلة , وقد وصلت الحلقة بملفات العضو الدائر . يتم توجيه التيار خلال الملفات عن طريق الفرش brushes , التي تنزلق علي سطح عضو التوحيد عند دورانه . في الوضع الموضح , يتدفق التيار خلال الملفات C , B , A في اتجاه عقرب الساعة وخلال الملفات D , E , F في اتجاه عقرب الساعة .

Mechanical actuators 6_03

(a) AC induction and stepper motor

(b) exploded view of stepper motor with a permanent magnet rotor

Figure Examples of commercial motors. (Courtesy of Oriental Motor. Torrance. CA)

عندما يدور العضو الدائر سدس دورة من الوضع الموضح , فإن التيارات في الملفات F,C يتحول اتجاهما وبانزلاق الفرش علي عضو التوحيد الدائر , تستمر هذه العملية في تعاقب . مع توصيفات الملف المناسبة , فإن عضو التوحيد يحافظ علي ثبات الترتيب الفراغي للتيارات بالنسبة لمجالات العضو الثابت الثابتة . يبقي هذا باستمرار العزم في الاتجاه المطلوب ( علي سبيل المثال اتجاه عقرب الساعة كما في الشكل .

Mechanical actuators 7_03

Figure Electric motor field – current interaction

هناك طريقة بها تقوم المحركات الكهربية بتوليد عزم دوران وذلك بواسطة تفاعل المجالات المغناطيسية لكل من العضو الثابت والعضو الدائر . يتولد العزم في هذه الحالة علي أساس تجاذب الأقطاب المختلفة وتنافر الأقطاب المتشابهة . يبين الشكل مبدأ التشغيل هذا في نحرك تيار مستمر بسيط ذو قطبين . تولد أقطاب العضو الثابت مجال مغناطيسي ثابت ( غير متحرك ) عن طريق مغناطيسيات دائمة أو ملفات تحمل تيار مستمر . الملفات في العضو الدائر تم توحيدها commutated لتسبب تغيرات في اتجاه مجالها المغناطيسي . يعمل التفاعل بين تغير مجال العضو الدائر . مع مجالات العضو الثابت الثابتة في إنتاج عزم دوران يسبب دوران عمود الدوران . مع وجود العضو الدائر في الوضع i , فإن الفرشة اليمني تلامس قطعة عضو التوحيد A بينما تلامس الفرشة اليسري القطعة B , تولد تيار في ملفات العضو الدائر نتيجه تكون قطبية مغناطيسية بالعضو الدائر كالمبينة بالشكل i . تتنافر أقطاب العضو الثابت مع أقطاب العضو الدائر فينتج زم دوران يسبب دوران العضو الدائر في اتجاه عقرب الساعة . في الوضع ii , تتجاذب أقطاب العضو الثابت مع أقطاب العضو الدائر فيتم تعزيز الدوران في اتجاه التيار في العضو الدائر وبالتالي يتغير اتجاه المجال المغناطيسي . في الوضع iv , تفقد كلا الفرشتين

Mechanical actuators 8_03

Figure Electric motor six- winding commutator

تلامسهما مع عضو التوحيد مؤقتاً , ولكن يستمر العضو الدائر في الحركة نتيجة عزم القصور الذاتي . في الوضع v , فإن المجال المغناطيسي المعكوس في العضو الدائر مرة أخري يعاكس مجال العضو الثابت , فيستمر العزم والحركة في اتجاه عقرب الساعة .

المشكلة الموجودة في التصميم البسيط ذو القطبين الموضح في الشكل , هي أن المحرك لن يبدأ حركته إذا كان وضعه عند بدء الحركة عند الموضع iv , حيث تكون الفرش موضوعة عند ثغرات عضو التوحيد . هذه المشكلة يمكن تجنبها وذلك بتصميم المحرك بأكثر من قطبين وقطاعات توحيد أكثر من قطعتين .

Mechanical actuators 9_03

Figure Electric motor field – field interaction

هناك مشاكل أخري لم نناقشها مع هذه الموديلات البسيطة هي : القوة الدافعة الكهربية العكسية back e.m.f والتأثير induction. عندما تقطع ملفات العضو الدائر المجال المغناطيسي العضو الثابت فإنه تستنتج قوة دافعة كهربية عكسية مضادة للجهد المسلط علي المحرك (جهد المنبع ) . أيضاً عندما يحول عضو التوحيد اتجاه التيار فإنه يستنتج جهد مضاد لتغير اتجاه التيار .

تشبه مبادئ تشغيل محركات التيار المتغير AC motors فكرة تفاعل المجالات المغناطيسية , ولكن فيها لا يكون هناك حاجة لعضو توحيد . هذا لأن المجال المغناطيسي يدور حول العضو الثابت حسب جهود التيار المتغير وترتيب الملفات بالعضو الثابت . لا يسلط جهد خارجي علي ملفات العضو الدائر بمحركات التيار المتغير اللاتزامنية asynchronous , ولكن تستنتج الجهود في هذه الملفات نتيجة قطع المجال الدوار الناشئ من العضو الثابت لملفات العضو الدائر . يدور العضو الدائر بسرعة أقل من سرعة المجال الدوار ( مجال العضو الثابت ) , يسمي الفرق بين السرعتين سرعة الانزلاق slip speed , هذا الفرق في السرعة هو الذي يسبب تولد الجهود في ملفات العضو الدائر بالتأثير induction ولأن العضو الدائر لا يدور بسرعة المجال المغناطيسي الدوار التي يطلق عليها سرعة التزامن synchronous speed , لذلك يعتبر هذا المحرك لا تزامني asynchronous وأحياناً يطلق علي المحرك التأثيري induction motor . أما بالنسبة لمحركات التيار المتغير المتزامنة synchronous motors , فإن ملفات العضو الدائر يتم تغذيتها عن طريق حلقات إنزلاق slip rings وليس عن طريق عضو توحيد . تقدم الفرش في هذه الحالة تلامس ثابت لا يتعرض للمقاطعة مع حلقات الإنزلاق , مما يسبب مجال مغناطيس يدور حول ملفات العضو الدائر بسرعة التزامن التي تتوقف علي تردد المنبع وهي نفس السرعة التي يدور بها مجال العضو الثابت . نتيجة تفاعل هذه المجالات فإن العضو الدائر يدور بنفس سرعة مجال العضو الثابت , من هنا أطلق علي هذا المحرك اسم المحرك المتزامن synchronous motors .

فكما رأينا , أن محركات التيار المستمر DC motors تحتوي علي عضو توحيد commututor وفرش brushes , أحياناً يطلق علي هذه المحركات الاسم محركات ذات الفرش brushes

Motors . ومع ذلك فهناك نوع أخر من محركات التيار المستمر يكون بدون فرش ولذلك يطلق عليه brushless DC motors , فيها تكون الأقطاب مغناطيس دائم ومثبتة علي العضو الدائر ومجال دوار بالعضو الثابت . تلغي أقطاب المغناطيس الدائم الحاجة إلي عضو توحيد . تقوم الترانزستورات بدلاً من عضو التوحيد بتحويل التيار المستمر في الملفات استجابة لتقارب حساسات التي يتم إشعالها بمجرد دوران عمود الدوران . لا تكون هناك حاجة إلي فرش عند عضو التوحيد الميكانيكي . هذا شئ جذاب وجميل من وجهة نظر مسألة الصيانة , حيث لابد من تغيير الفرش وإحلالها بأخري جديدة عند إستهلاك الفرش القديمة هذا إن كان المحرك من النوع ذو الفرش . ولأن العضو الدائر يكون صغير جداً وهذا أحياناً يجعل التحكم أسهل . أيضاً لن تكون مشاكل خاصة بالحرارة المستهلكة حيث لا يوجد تيار ملفات وبالتالي لا توجد حرارة مفقودة من جزاء I2R .

Possibly Related Posts:


كتب في نفس المجال او من نفس الفئة

About farahat 1475 Articles
الــبــاجور - المـنـوفـيـة - جمهورية مصر العربية 0106331333 مهندس /احمد فرحات درس هندسه و علوم النظم و الحاسبات و له خيرة 18 عام في المجالات الهندسية المتعلقه بالنظم الهندسية كافة سواء كانت نظم لها علاقة بالعتاد (كهربيه - الكترونية - ميكانيكية) او نظم لها علاقة بالبرمجيات و قد حصل علي دبلومة مابعد التخرج في هندسه و علم الحاسب

Be the first to comment

Leave a Reply

Your email address will not be published.


*